三維可滲透陽極空氣自呼吸微流體燃料電池及電堆產(chǎn)電特性實驗研究.pdf

1、便攜式可移動電子設備的迅速發(fā)展，對微型移動電源提出了更高的需求，而目前的微型電源已經(jīng)逐漸不能滿足這些電子設備長期穩(wěn)定運行的需要。微流體燃料電池（Microfluidic fuel cells）作為一種新型的微型電源技術(shù)，利用流體的層流流動特性自然地將燃料與氧化劑分隔開，取消了傳統(tǒng)微型燃料電池中的質(zhì)子交換膜，具有體積小、重量輕、能量密度高、反應物靈活性好、結(jié)構(gòu)簡單、制造方便等諸多優(yōu)點，近年來受到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。目前微流體燃料電池

2、受到反應物傳質(zhì)的限制面臨功率密度和燃料利用率較低等問題，尚未達到電池實際應用的需求。研究表明，采用可滲透陽極可實現(xiàn)燃料向電極的對流傳輸，從而強化陽極側(cè)的傳質(zhì)；采用空氣自呼吸陰極直接利用空氣中的氧氣參與電化學反應，可消除采用溶解氧時氧化劑向電極表面的傳質(zhì)限制。本文分別采用碳氈、泡沫鎳作為陽極電極，構(gòu)建了具有三維多孔可滲透陽極的空氣自呼吸微流體燃料電池，并對電池內(nèi)的物質(zhì)傳輸以及產(chǎn)電特性進行研究；構(gòu)建了具有共同陽極燃料流道的空氣自呼吸微流體燃

3、料電池堆，通過電池的串聯(lián)與并聯(lián)，進一步提高了電池的電流、電壓與功率輸出，以實現(xiàn)電池的放大化。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴針對碳氈可滲透陽極空氣自呼吸微流體燃料電池的研究表明，碳氈電極相對于碳紙電極擁有更大的電化學活性面積，無論在酸性還是堿性條件下，采用碳氈電極的電池性能更好，且堿性條件下電池性能優(yōu)于酸性條件下的性能。在堿性條件下，當燃料與電解液流量為5mL/h、燃料濃度為1M、電解液濃度為2M時，電池性能最佳，最大功率密度為35.

4、1mW/cm2，最大電流密度為192.9mA/cm2。⑵針對具有泡沫鎳陽極的空氣自呼吸微流體燃料電池的研究表明，陽極采用堿性、陰極采用酸性電解液，并采用第三股流體來分隔陽極液與陰極液，可以有效提高電池的開路電壓與電池運行的穩(wěn)定性。當陽極液與陰極液以及第三股流體的流量均為7.5mL/h，甲酸鈉濃度為1M、氫氧化鉀濃度為2 M、硫酸鈉濃度為1 M時電池性能最好，最大功率密度為22.3mW/cm2、最大電流密度為123.4mA/cm2。與采用

5、碳氈陽極的空氣自呼吸微流體燃料電池相比，其電池性能較低，但采用泡沫鎳陽極的電池不需負載催化劑，其成本較低，經(jīng)計算其單位質(zhì)量電極的產(chǎn)電性能略高。⑶采用具有共同陽極燃料流道的空氣自呼吸微流體燃料電池堆可以實現(xiàn)微流體燃料電池的串聯(lián)和并聯(lián)。在并聯(lián)條件下，電池堆的最大功率輸出與最大電流輸出相對于單電池成倍的增加，電池堆的開路電壓大約為0.8 V，與單電池相當，最大功率輸出為37.8mW，最大電流為171.6mA；在串聯(lián)條件下，電池堆的開路電壓可以